第3章信号发生器

主
要
特
性
正弦波是电子系统中最基本的测试信号，频率从µHz至几十GHz。大多信号源都具备正弦 波输出。
函数信号
通常包含正弦波、方波、三角波三种，有的还包含锯齿波、脉冲波、梯形波、阶梯波等波 形，频率从几Hz至上百MHz。
扫频信号
频率可在某区间有规律地扫动，多为用锯齿波进行线性扫频。多数扫频源是以正弦波扫频， 也有以方波、三角波扫频。还有非线性的对数扫频。
第3章ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
信号发生器
本章要点
测量用信号发生器，通常称为信号源。

信号源的功用、种类和主要性能指标 通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用 合成信号源的组成原理、特性和应用 频率合成技术的发展状况



射频率合成信号发生器（数字调制信号源、矢 量信号源）---新增内容

3.1
信号发生器概述
3.1.1 信号发生器的功用
3.2
通用信号发生器
本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器， 以区别后面介绍的合成信号发生器。 课程特点
基础课讲部件、单元电路如振荡器、放大器等单元 模拟电路
专业课讲系统、整机的组成的框图原理、特点及实例
例：超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展， 但框图原理未变。
天线 高放 混频器 中 放 检 波 低 放 功放
高频信号发生器主振级的LC振荡器，通常是固定电感L，通过改变电容C 来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算：
f max k f min
1 2 LCmin Cmax 2~3 1 Cmin 2 LCmax
....
C L1
Ln
L2
图3.4 LC回路
例3.1 XFC-6型高频信号发生器f =4 MHz～300MHz， 试问应划分几个波段？
2.频率准确度
频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输 出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示

f f0 f0
f 100% f0
（3.1）
3. 频率稳定度
频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率 稳定度来保证的。频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情 况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化 的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和 长期频率稳定度。
伪随机信号
是一串0/1电平随机编码的数字序列信号，因其序列周期相当长（在足够宽的频带内产生相 当平坦的离散频谱），故有点类似随机信号。
任意波形
能产生任意形状的模拟信号，例如：模仿产生心电图、雷电干扰、机械运动等形状复杂的 波形。
调制信号
将模拟信号或数字信号调制到射频载波信号上，以便于远程传输。通常调制方式有：调幅、 调频、调相、脉冲调制、数字调制等。
1.作激励源 作为某些电气设备的激励信号。 2.信号仿真 在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特 性的信号，如对干扰信号进行仿真。 3.校准源 产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准 （或比对）。
信 号 发 生 器 被 测 设 备 测 试 仪 器
输 入 激 励
输 出 响 应
图3.1 信号源的功用
C1
180º
U0
A R2 C2 R3
R1
•
振荡条件？ 输出(f0)
R1
文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。其振荡频率决定于 RC式反馈网络的谐振频率，表达式为：
f0
1 2RC
（3.8）
在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的LC振荡器呢？这是 因为LC振荡器的频率决定于：
f0
1 2 LC
Ln1 k2 Ln
（3.11）
2.高频信号发生器的使用 信号发生器是向外提供激励信号的仪器，使用比较简单容易。主 要调节输出频率和幅度，关键是注意其使用说明书上输出幅度 是如何标定的，然后才能正确读数。 1) 输出频率的读数 LC振荡器，通过调节电容来改变输出频率的，调节频率时来回 转动时其齿轮的回差会给频率读数带来误差，因此频率准确度 不太高，通常只有±1％左右。
本 振
3.2.1 低频信号发生器
电压指示
主振器
放大器
衰减器
输出
(a)
固定频率 f2=3.4000MHz 振荡器
f0=300Hz~1.7000MHz 滤波放大 衰减器 输出
混频器
可变频率 振荡器 f1=3.3997~5.1000MHz
(b )
图3.3 低频信号源组成框图
频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示：
3.2.2 高频信号发生器
1. 高频信号发生器的组成原理
可 变 电抗器 缓冲级 AM 监测器 输出级 输出
主振级
FM
调制级
电源
内调制 振荡器
内 外
外调制输入
若语音调制则成小电台
图3.4 高频信号发生器原理框图
标准调制：F=1000Hz
m=30%
主振级 主振级通常是LC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率 范围的正弦信号。
AM、FM
AM、FM、PM
表3.1 频段的划分
实用频段划
f (Hz) 1T 300G 100G 30G 10G
λ
（λ=C/f，C=3×108m）
极高频 毫米波 微 超高频 厘米波 波 特高频 分米波 米波 短波 中短波 中波 长波 超长波 感 应 加 热 (应用) 超 波 短 波 中 波 通 信 信 电 视
f max k f min
（3.7）
以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器） 为例，f1=3.3997MHz～5.1000MHz，f2=3.4000MHz，则 f0=300Hz～1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数
1.7000 MHz k0 6 10 3 300 Hz
(b)
图3.8 阻抗匹配
美国夏威夷大学曾来电询问如何设计？
2 1 R2 RS RL (1 ) 41.8 N 4N
300 n lg k n lg k k 75 k k 4 lg k lg 75 1.87 （3.10） n 7.35 8 lg 0.9k lg1.8 0.254
上式中0.9k的含义是让单回路覆盖系数取小—些，这里取k=2， 以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n=8，即要划分8个波段。 这时相邻波段的电感值可按下式计算。
3.1.2 信号发生器的分类
专用----电视信号发生器、电平振荡器、误码仪 1. 按用途分 通用----产生正弦:波等通用波形
正弦---脉冲---函数----产生函数通用波形 噪声---t t t
2. 按波形分
t
t
普通----功率大，频率、电压刻度不大准确， 用于天线测试等 3. 按性能分 标准----频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用
频率与波长的关系
1mm
1cm
通
雷 达
射
3G 1G 300M 100M
1dm
1m
超 50 音 % 频 视
甚高频 高频 中高频
1Km
10M
频
1M 300K 100K
100 %
频
中频 低频 甚低频
音
10K
广 播
探 伤 加 热
36 % 频 0% 亚 14 音 % 频
1K
100
10
0
名 称 正弦波信号
波形示意图
f max C max 450 k 3 f min C min 40
而用RC振荡器，由（3.8）式可知， f 0与RC 成反比，频率 覆盖系数为
f max C max 450 k 11 f min C min 40
在一个波段内有较大的频率覆盖系数。 3.低频信号发生器的主要技术特性 目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下： 频率范围： 1Hz～1MHz分频段，均匀连续可调 频率稳定度：优于0.1% 非线性失真：＜0.1%～1% 输出电压：0V～10V 输出功率：0.5 W～5W 连续可调 输出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ 输出形式：平衡输出与不平衡输出
而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为
5.1000 k1 1 .5 3.3997
可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。
2. 主振荡器的特点
低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器， 其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。
选频网络 0º 放大器 180º 放大器
t
高频信号发生器用频谱纯度
f
A
US Un
US 20lg 80 ~ 100dB Un
f
5. 输出阻抗 低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Ω（或1kΩ） 功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、 150Ω、600Ω和5 kΩ等档 高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω档。
（b）加载等效电路
浮地
信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的， 若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数 是不准确的。
Ri
R0 Rb
Ra
Ra Rb Rb
Ra
R0 Rb RL
3）输出匹配变换器
R1
信号源 被测设备
R3 RL R2 RL
75 Ω
Rs
50 Ω
Rs
阻 抗 变换器
(a)
（3.9）
原因① 频率较低时，L、C 数值大，相应的体积、重量也相当 大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低 很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在RC振荡器中， 频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。 原因② 在LC振荡器中 f 0与 LC 成反比，因而同一波段内频率 覆盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容 器调节范围为40 pF～450pF，则频率覆盖系数为